(57)【要約】  【課題】  充電器内における一部の素電池が発熱の影響を受ける場合にも、充放電サイクルに伴って素電池間の容量格差の拡大を抑制し、サイクル性能の優れた組電池を提供する。  【解決手段】  複数の素電池2、3が収納体10に収納され、前記収納体10の一部が充電機器20に没した状態で充電される組電池1であって、前記充電機器20に没する部位に存する素電池2には、その初期容量が前記収納体中における他の素電池3の平均初期容量よりも大きいものが選択されている構成とする。【選択図】図1
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数の素電池が収納体に収納され、前記収納体の一部が充電機器に没した状態で充電される組電池であって、
前記充電機器に没する部位に存する素電池には、その初期容量が前記収納体中における他の素電池の平均初期容量よりも大きいものが選択されている
ことを特徴とする組電池。
【請求項２】
前記容量の大きい素電池の初期容量は、前記他の素電池の平均初期容量に対して110％以上130％以下の範囲内である
ことを特徴とする請求項1に記載の組電池。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、複数の素電池からなり、充放電が繰り返される組電池に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、電動工具や電動アシスト自転車などの電力源として、ニッケル水素電池などの2次電池（以下、「素電池」と記す。）が複数個組み合わされてなる組電池が用いられている。これらの用途に用いられる場合、一般的に、上記組電池には全体形状のコンパクト化が求められ、電気機器の仕様に適応した形状が採られる。その組電池が収納されるバッテリーケースは、その一部分が突出し、その突出部が充電器中に挿入された状態で充電され、放電時には電気機器にその突出部が同様に挿入された状態で利用されることが多い。
【０００３】
元来、充放電時に過放電及び過充電が生じにくいようにさせるため、構成要素である素電池の容量に関しては、組電池作製時に、各素電池間で容量差が10％に満たないような同一性能の素電池が用いられている。
こうして作製された組電池が上記用途で用いられる場合には、大電流及び急速での充電が求められる。それにより、充電器や素電池の内部での発熱現象が顕著に生じる。温度が著しく上昇すると素電池の充電効率は低下してしまうため、バッテリーケースに吸気口及び排気口を設けて、充電器に内蔵したファンからの冷却用空気を吸気口からバッテリーケース内に送り込み、通気路を通じて排気口から外部へ排出させることで、組電池全体の冷却が行われ、組電池の温度上昇の抑制が図られている（例えば、特許文献1）。
【特許文献１】特開2001-135287号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
特許文献1のようにして組電池全体の温度上昇を抑制することで良好に性能を発揮できるようにされているが、実際には、バッテリーケースは上記突出部は充電器内部に挿入され、他の部分（以下、「本体部」と記す。）は挿入されていないため、バッテリーケースが充電器から受ける熱影響は一様ではなく、挿入される上記突出部が顕著にその影響を受けることとなる。つまり、上記突出部に収納されている素電池は、本体部に収納されている素電池よりも充放電サイクルでの容量の低下速度が大きくなる。
【０００５】
この状態で充放電サイクルが繰り返されると、素電池間での電池容量に大きな格差が生じる。このように素電池間で容量格差が大きくなると、本体部内の素電池容量が十分に残存しているにも関わらず、突出部内の素電池容量は著しく低下した状態となり、組電池のサイクル寿命に至る問題が生じる。
本発明は以上の課題に鑑みてなされており、充電器内における一部の素電池が発熱の影響を受ける場合にも、充放電サイクルに伴って素電池間の容量格差の拡大を抑制し、サイクル性能の優れた組電池を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
そこで、本発明では上記課題の解消のために以下の構成を採る。
複数の素電池が収納体に収納され、前記収納体の一部が充電機器に没した状態で充電される組電池であって、前記充電機器に没する部位に存する素電池には、その初期容量が前記収納体中における他の素電池の平均初期容量よりも大きいものが選択されている構成とする。
【０００７】
なお、前記容量の大きい素電池の初期容量は、前記他の素電池の平均初期容量に対して110％以上130％以下の範囲内であることが好ましい。
ただし、上記初期容量とは、使用するために必要となる充放電サイクルにおいて、最初の充電が行われる前の状態で素電池が有している容量を示している。
【発明の効果】
【０００８】
本発明の組電池では、上記収納体において上記充電機器への没部に存する素電池の初期容量が、上記他の素電池の平均初期容量よりも大きい状態で構成されることで、充放電サイクルが繰り返された後でも、従来の場合のように上記没部に存する素電池と上記他の素電池との容量差が拡大されることがない。すなわち、上記没部に存する素電池は、上記発熱源の発熱の影響を受けやすいため、充放電サイクルの繰り返しに伴い、上記他の素電池よりも容量の低下速度が大きい。しかし、最初の充電が実行される前の状態において、上記没部に存する素電池容量が上記他の素電池容量よりも大きい状態で組電池が作製されていることで、充放電サイクルの繰り返しによる上記容量格差は小さくなる。結果として、本発明の構成に係る組電池は、従来の場合よりも組電池全体のサイクル寿命が延びる。
【０００９】
また、素電池どうしが直列接続されている場合は、素電池間での容量格差による組電池としての容量低下が顕著であるが、並列接続されている場合でも、素電池間の容量格差が大きくなると組電池の性能低下に繋がるのでいずれの場合にも本発明の構成とすることでサイクル寿命が延びる。
なお、上記構成では、上記充放電サイクルの開始時には、従来の場合と比べて素電池間の容量に格差が生じるが、この容量の小さい方の上記他の素電池の容量に適応した充放電を行えば過充電及び過放電は抑えられる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
以下、本発明を実施するための最良の形態について、図を用いて説明する。図1は、組電池1と充電器20の概略斜視図であり、図2は組電池1におけるバッテリーケース10とその内部に収納されている素電池2、3の断面模式図である。
（本実施形態に係る組電池1の構成）
本実施形態に用いられる組電池1は、図1に示されるバッテリーケース10とその内部に収納される素電池2、3を含む構成である。この組電池1が充電器20に装着されて充電器20に電力が供給されることで、素電池2、3が充電される。なお、素電池2、3における接続部材、及び組電池1と充電器20の接続部材、さらには絶縁部材等については説明の便宜上省略している。
【００１１】
先ず、バッテリーケース10は、図示のように多角形状の底面（Z方向負方向側）を有する柱状形状を有する本体部11と、その本体部11の頂面（Z方向正方向側）からその一部が突出され、充電器20に挿入して係合される突出部分12とからなる。当該突出部12は楕円形の底面を有する柱状形状である。
素電池2、3は、それぞれ円筒形状を有する10個のニッケル水素電池であり、これらは直列接続された状態で組み合わされてなる。当該組み合わせ状態はZ方向に2段構成であり、Z方向負方向側には2個の素電池2が配されて突出部12内に収納されており、Z方向正方向側には8個の素電池が配されて本体部11内に収納されている。これらの素電池2、3の配設位置に関しては図1(b)、図1(c)を用いて説明する。図1(b)は、充電器10において素電池2、3をZ方向正方向側へみたときの断面模式図である。図1(c)は、充電器10において素電池2、3をX方向へみたときの断面模式図である。
【００１２】
図1(b)から分かるように、突出部12に収納される素電池（以下、「突出部電池」と記す。）2は、Y方向に列状に組み合わされ、バッテリーケース10において、X方向の中央部分に配され、Y方向の一端側に寄って配されている。一方、本体部11に収納される素電池（以下、「本体部電池」と記す。）3は、X方向に列状に3個組み合わされたものが2列配され、さらに2個組み合わされたものが1列配され、それぞれX方向における中心線に対して線対称となるように構成されている。また、図1(c)からも分かるように、突出部電池2と本体部電池1は、それぞれがZ方向において重なることなく配されている。
【００１３】
充電器20は、略箱型形状を有しており、図示のとおり主面の一部が切り欠かれたように斜面を有している。当該斜面部分には台座部21が設けられており、その台座部21の中央領域は凹部22が設けられている。なお、この凹部22はXY平面上に、上記突出部12の頂部形状に適応する楕円形状を有した状態で設けられている。
上記のようにして構成されている突出部電池2は、その容量が本体部電池3と比較して10％高い状態で形成されている。詳細には、2つの装着電池2の初期容量は、共に、本体部電池3の平均初期容量よりも10％高い状態である。
【００１４】
なお、突出部電池2O及び本体部電池3は容量に差はあるが、それらのサイズは均等となるように形成されている。素電池の製造工程において、素電池が有する容量が確認され、その確認された容量に基いて各素電池ごとに印がつけられる。これにより、組電池作製時には同一サイズではあるが容量差のある複数の素電池であっても、視覚的にも容易に判断することが可能であり、組電池の上記構成を確実になすことができる。
（充電状態について）
上記構成の組電池1が充電器20に装着されて素電池2、3の充電が行われる。そのときの状態について、図2を用いて説明する。図2は、上記充電時における組電池1及び充電器20の断面模式図である。
【００１５】
図示のとおり、突出部12が充電器20の凹部22内に挿入され係合された状態となっている。この時、本体部11は充電器20の内部に装着されずに台座部21上に載置されている。この状態で、組電池1は充電器20に対して固定され、コンセントプラグ23を介して交流電流が供給されて素電池2、3が充電される。
充電器20は図3に示されるような簡略回路図を構成しており、コンセントプラグ23を介して交流電流が充電器20内に流れ、組電池1内の素電池2、3が充電される。
【００１６】
このとき、図示する回路内における電子素子T1、T2、R1、R2など、特にトランジスタT1で発熱が生じやすく、充電器20の主な発熱源となる。素電池自体は温度上昇の影響を受けやすく、周囲の環境の温度上昇や、素電池内部での温度上昇などによりその充電効率が低下してしまう。そのため、上記のように充電器20の温度が上昇することで、充電時にその充電器20に装着されている組電池1内の素電池2、3もその温度上昇の影響を受けることとなる。特に、充電器20に挿入されている突出部12は充電器20内に挿入されている状態のため、本体部11よりもその影響を顕著に受けやすい。つまり、充電器20内で発生した熱は、組電池1に対して均等に伝達されず、局所部である突出部12にその発熱量の多くが伝わることとなる。従って、突出部電池2は本体部電池3と比較すると大きくその温度上昇の影響を受ける。そのため、従来の場合のように組電池の作製時にその組電池を構成する素電池の容量が均等となるように設定されていれば、突出部電池2では本体部電池3よりも著しく容量が低下するために、充放電サイクルが繰り返された後、本体部電池3ではその容量が初期状態からあまり低下していない状態であるにも関わらず、突出部電池2はその容量が初期状態から大きく低下した状態となってしまう。そのため、本来の目的である組電池内における電池容量、さらには電池性能の均等化が果たされない状態となる。これは、電動工具のような大電流及び短時間による充放電を必要とする用途においては、特に充電器20内部の温度上昇が想定されるため、充放電サイクルを繰り返すにつれて突出部電池2と本体部電池3との容量差が拡大されていくことが明らかである。
【００１７】
しかし、本実施形態のように、突出部電池2の容量を予め本体部電池3の平均初期容量よりも大きくしておくことで、充放電サイクルの経過に伴う上記容量差の拡大を抑制することができる。つまり、従来の場合であれば本体部電池3の残容量に対して突出部電池2の残容量が大きく異なっていた時点での充放電サイクルの経過時点であっても、その容量差は抑制される。これは、組電池1の充放電のサイクル寿命が大きく伸びることに繋がるため有益である。
（確認実験）
そこで、本実施形態の上記有益性及び突出部電池2の容量値に関する確認実験を、25℃環境下でのサイクル特性を評価することで行った。
(実施例）突出部電池2には公称容量3000mAh（実力容量3300mAh）のニッケル水素電池を用い、本体部電池3には公称容量3000mAh（実力容量3000mAh）のニッケル水素電池を用いる。
（比較例）突出部電池2及び本体部電池3共に公称容量3000mAh（実力容量3000mAh）のニッケル水素電池を用いる。
【００１８】
なお、（実施例）及び（比較例）において利用している上記ニッケル水素電池は、全て同サイズであり、直径23mm、高さ43mmのSCサイズである。
上記2つの場合において充放電サイクルを繰り返し行うが、その1サイクルの条件は下記の（１）〜（４）の順のとおりである。
（１）充電電流：3A（組電池当たりの-ΔV値50mV）
（２）休止    ：1時間
（３）放電電流：15A（素電池当たりの終止電圧0.8V）
（４）休止    ：1時間
上記条件での比較実験の結果が図4に示されている。横軸に上記（１）〜（４）によるサイクル数が示され、縦軸に電池容量（mAh）が示されている。
【００１９】
当図から明らかなように、（比較例）の場合には300サイクルを過ぎた時点でその容量が急激に低下しているが、一方（実施例）の場合には400サイクルを過ぎてもその容量は大きな低下は見られず、初期容量と同程度の容量が示されている。
（比較例）の場合、充放電開始時点の初期段階では突出部電池2の容量及び本体部電池3の容量が均等な好ましい状態であるが、突出部電池2が充電器20内での発熱の影響を特に受けるために充電効率が低い状態で充電が行われるために、本体部電池3が十分充電されている状態にも関わらず当該突出部電池2は十分には充電がなされていない状態となってしまう。その状態にも関わらず放電が行われてしまうため、突出部電池2は過放電状態に陥ってしまう。このような充放電が繰り返し行われることで、突出部電池2における容量低下の速度が増していき、本体部電池3と比較してその容量劣化が著しく低下してしまう。その結果、あるサイクル経過後（図4では約330サイクル）、突出部電池2がその性能発揮を行うことができない状態にまで陥り、直列接続で構成されている組電池1の容量が急激に低下していると考えられる。なお、本実施形態では、組電池1は上述のとおり直列接続からなるが、仮に並列接続からなる構成であったとしても、同様の特性を生じる。突出部電池2の容量が著しく低下する状況に陥れば、その突出部電池2の分だけ組電池1は電池性能が劣化することとなる。特に、（比較例）のような構成では、同様に突出部電池2と本体部電池3との容量格差が大きくなり、電動工具のような大電流を供給し、急速に充電を必要となる用途では、必要とされるだけの充放電が行われなくなるので好ましくない。
【００２０】
一方、（実施例）で示されているような本実施形態の場合、初期段階では突出部電池2と本体部電池3との容量が均等な状態とはなっていないが、突出部電池2の初期容量が本体部電池3の平均初期容量よりも大きくなるように制御された状態で組電池1が形成されている。そのため、たとえ突出部電池2が充電器20の発熱源に近接配置され、容量の低下速度が本体部電池3よりも大きい状態となっても、突出部電池2の残容量が本体部電池3の残容量に対して大きく低下してしまうことを抑制することができる。そのため、組電池1における突出部電池2の容量が局部的に低下することがなく、電動工具などに電力を供給するための充放電サイクルを従来の場合と比較して大きく延ばすことができる。
【００２１】
従って、充放電サイクルの繰り返しに伴って容量低下の速度が拡大することが想定できる突出部電池2の容量は、上記初期段階で本体部電池3との容量に対して大きいほど、充放電サイクルが長時間繰り返されてもその容量差の拡大が抑制されると思われる。その際、突出部電池2を構成する素電池間、又は本体部電池3を構成する素電池間ではその容量は均一な状態が維持されていることが好ましいが実用上、その容量に若干の差異が生じることも想定できるために、10％未満の容量差は、各素電池の容量の均一範囲内と考える。この観点及び上記確認実験の結果を基にして、突出部電池2の初期容量が少なくとも本体部電池3の平均初期容量よりも10％は大きいことが望ましい。
【００２２】
一方、突出部電池2と本体部電池3との間に設ける初期容量差があまりに大きいと、電池の規格サイズ等が異なってしまい、既存の電気機器等を使用することができなくなってしまう。また、同様に容量差が大きい場合には、本体部電池3が満充電されていても、容量の大きい突出部電池2には満充電よりもかなり少ない状態で充電が終了することも考えられる。特に、その少ない充電量が突出部電池2における満充電量の半分程度であれば、放電量も当然その充電量によって規定されるため、容量の大きな突出部電池2には、それ以上の充電が行われない、所謂、メモリー効果が機能してしまうことも考えられる。この場合、容量の大きな電池を用いたにも関わらず、その電池性能を十分に発揮することができなくなってしまい好ましくない。従って、これらの観点から、突出部電池2の初期容量は本体部電池3の平均初期容量よりも大きいことが好ましいが、大きすぎるとその効果は十分には得られないため、その容量差は30％程度までが好ましいと考えられる。
【００２３】
以上のことから、その突出部電池2の初期容量は、本体部電池3の平均初期容量よりも10％〜30％の範囲で大きく設定されていることが好ましい。
（その他の事項）
本発明の構成は、ニッケル水素電池だけに限定されるものではなく、他の2次電池、例えばニッケルカドミウム電池やリチウムイオン電池などでも同様の効果を得ることができるため適用可能である。また、組電池1の構成に関しても、素電池の上述した配設位置からなる場合に限定されず、バッテリーケース10の形状に適宜対応したものとする。また、その素電池数やサイズ又はその配置に関しても、組電池1の仕様により適宜適用可能である。
【００２４】
また、本実施形態では、形成される組電池1は、その一部が充電器20に差し込まれて充電するタイプを用いているが、当該タイプに限定されるものではなく、他のタイプのもの、例えば、ケーブル等を用いて容量の大きな電池部分に接続されるような形態のものでも、または組電池1をスライドさせて充電器20に係合させるようなタイプのものでも構わない。
【産業上の利用可能性】
【００２５】
本発明は、急速な充放電を必要とし、長期的に安定して電力供給を行うことのできる組電池の作製に有用である。
【図面の簡単な説明】
【００２６】
【図１】組電池と充電器の概略斜視図である。
【図２】充電の際の組電池の配置図である。
【図３】充電器の簡略回路図である。
【図４】本実施形態における確認実験結果を示すグラフである。
【符号の説明】
【００２７】
1  組電池
2  突出部電池
3  本体部電池
10  バッテリーケース
11  本体部
12  突出部
20  充電器
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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